CN101266284A - 开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置及方法，包括旋转编码器和信号处理电路，置于电机内部，固定在支撑盘上，旋转编码器与电机主轴相连。旋转编码器采集转子的角位置信号，将信号传递给信号处理电路的编码器信号预处理单元；编码器信号预处理单元将编码器的输出信号变成微处理器单元能够接收的信号；微处理器单元进行角位置信号处理、计算电机的转速；通讯单元通过串行通讯总线发送角位置和转速信号。本发明与外界的连线简单，抗干扰能力强，适合远距离传输，分辨率高，无需人工零点设定，操作简单、误差小。

Description

开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测开关磁阻电机转子的角位置、转速(包含大小和方向)的装置及方法，具体涉及一种基于绝对型旋转编码器和串行总线通讯的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置及方法。

背景技术

开关磁阻调速电机一般由控制器和电机两部分组成，前者装有功率电路、控制电路等部件，后者包含定子、转子、角位置传感器等。

开关磁阻电机为定子、转子双凸极结构，其定子和转子都是由硅钢片叠压而成，定子极上装有集中绕组，转子上没有绕组。开关磁阻电机可以设计成不同的绕组相数和不同的定转子极数，如三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极。图1是三相12/8极开关磁阻电机的结构图，每四个定子极的绕组相连接，构成A、B、C三相绕组。

开关磁阻电机的各相磁路的磁阻随转子的角位置而变，为使其正常工作，必须在转子转到适当位置时开通或者关断相应的相绕组的电流，保证各相的电流与相应的转子位置同步，并且在转子转动过程中始终正确切换各相绕组。因此转子的角位置检测是一个非常重要的环节。检测装置还应提供转速信息，使控制器能根据测到的转速采用合适的控制方式进行转速调节，实现转速闭环控制。

现有的角位置和转速检测装置主要由若干个传感器元件和一个随电机主轴一起旋转的盘组成，传感器元件可以采用光电式、电磁式、霍尔式、电容式等元件，盘的材质、形状、透光性根据传感器元件特性不同而有所不同。

图2是采用采用光电开关传感器元件1和不透光齿盘2进行角位置和转速检测的开关磁阻调速电机的结构示意图。图3则是用于三相12/8极开关磁阻电机的角位置和转速传感器结构示意图，由三个光电开关元件和一个齿盘组成，光电开关A与B的间距和B与C的间距均为7.5°，齿盘有沿圆周方向均匀分布的8个齿，齿距为45°，每个齿和槽均为22.5°。光电开关产生如图4所示的三路高低电平信号，将转子的位置在每个1/8圆周上划分6个区间，每个区间对应的机械角度为7.5°。如果以A相传感器信号的下降沿作为角位置参考零点，并将该参考零点同定转子的相对位置相对应，则控制器可根据三路传感器信号判断转子所处角位置区间。控制器还可利用信号的周期或者频率计算转速的大小，根据信号的相位关系判断转速的方向。

这种检测方法角位置分辨率低、转速响应慢，虽然通过转速推算或者硬件倍频能够得到更高的角位置分辨率，但是在转速变化时误差变大，精度难以保证。在低速时，由于信号跳变周期长，导致响应慢，影响低速性能。由于角位置传感器需要操作人员进行零点设定，此项要求操作人员有一定的经验，误差较大，操作麻烦。传感器防护等级比较低，易受尘土、雨水的影响，传感器易老化、损坏，传感器信号不适合长距离传输距。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分辨率高，无需人工零点设定，操作简单、误差小的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于绝对型旋转编码器和串行总线通讯的开关磁阻电机转子的角位置和转速的检测方法。

本发明的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，包括旋转编码器和信号处理电路，置于电机内部，固定在支撑盘上。旋转编码器与电机主轴相连，旋转编码器连接信号处理电路，信号处理电路连接外部元件。

本发明所述的旋转编码器和信号处理电路，置于电机的密封罩内。

所述旋转编码器为绝对型旋转编码器，可以选择通用的绝对型旋转编码器。绝对型旋转编码器与电机的连接方式取决于旋转编码器的结构，轴型旋转编码器采用弹性连接器和电机主轴连接，通孔型或者盲孔型旋转编码器直接套在电机主轴上。

旋转编码器的输出形式可以是格雷码、自然二进制码等，输出逻辑可以是正逻辑、也可以是负逻辑。

所述信号处理电路包括编码器信号预处理单元、微处理器单元、通讯单元。旋转编码器连接编码器信号预处理单元，编码器信号预处理单元连接微处理器单元，微处理器单元连接通讯单元，通讯单元通过串行通讯总线连接外部元件，以串行通讯的方式输出角位置和转速信号。所述微处理器可以选用单片机或者数字信号处理器(DSP)。

本发明的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，旋转编码器、信号处理电路可以是两个部件，也可以对二者进行一体化设计，把信号处理电路集成到旋转编码器内，制作成一个部件。

本发明所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，旋转编码器采集转子的角位置信号，将信号传递给信号处理电路的编码器信号预处理单元；信号处理电路的编码器信号预处理单元将旋转编码器的输出信号变成微处理器单元能够接收的角位置信号；微处理器单元进行角位置信号处理、电机转速的计算；通讯单元通过通讯总线采用串行通讯的方式发送角位置和转速信号。

信号处理电路的编码器信号预处理单元将旋转编码器的输出信号采用电平转换等方法变成微处理器能够接收的绝对角位置信号。

所述角位置信号处理包含零点校准和位数扩展，零点校准即将绝对角位置信号变成相对于零点的相对角位置，零点的绝对角位置保存在非易失型存储器里，也可直接发送绝对角位置信号，由电机控制器进行相应的处理。

位数扩展即把旋转编码器单圈扩展为多圈，进行高位扩展，便于位置闭环控制。如采用10位的绝对型旋转编码器，可将旋转编码器的输出扩展为16位的，高6位为圈数的整数部分，低10位为小数部分。

本发明所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，记录N个旋转编码器脉冲和产生这些脉冲的时间，得到旋转编码器输出信号的周期和频率，计算转速，并根据角位置信号变化的方向判断转速的方向。转速越高N越大，转速越低N越小直至1，这样改善低速响应和高速精度，从而使得在整个转速范围内都有较好的响应和精度。

所述信号处理电路的微处理器单元可根据旋转编码器的信号连续跳变的特征，判断旋转编码器故障。检测当前角位置信号和上一次的角位置信号的差是否为1，两次的值相差不为1时，则旋转编码器出现故障。

信号处理电路采用串行通讯方式将角位置、转速、检测装置的状态信号发送出去。可以采用485、CAN总线等串行通讯方式。发送方式可以是应答式、或者主动发送。应答式的意义是控制器发送读转速等指令到检测装置，检测装置进行应答。主动发送的意义是检测装置采用固定或者非固定周期主动发送角位置、转速等信号，主动发送能够有效地利用总线，向控制器提供角位置和转速信息，进而能够提高系统的响应速度。

与现有的检测方法相比，本发明所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置及方法测量的角位置和转速信号更加准确，系统控制响应更快。

本发明的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置与外界的连线简单，抗干扰能力强，适合远距离传输，分辨率高，无需人工零点设定，操作简单、误差小。

绝对型旋转编码器的位数、输出逻辑、输出编码形式可以选择，可以根据不同的应用场合进行相应的开发，灵活性好。

由于旋转编码器的防护等级可达到IP66，整个检测装置防护等级高。

附图说明

图1是三相12/8极开关磁阻电机结构图。

图2是一种开关磁阻调速电机的结构示意图。

图3是一种用于三相12/8极开关磁阻电机角位置传感器结构示意图。

图4示出了图3的传感器信号。

图5是采用本发明装置的开关磁阻调速电机的结构示意图。

图6是本发明装置的功能结构图。

图7是本发明的一个实施例结构图。

附图标记

1传感器元件，2齿盘，3传感信号线，4控制器，5功率线，6电机接线盒，7电机，8支撑盘，9角位置和转速检测装置，10串行通讯总线，11旋转编码器，12信号处理电路，13电机主轴，14弹性连接器，15密封罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

本发明的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，旋转编码器11和信号处理电路12，置于电机7的密封罩15内，固定在支撑盘8上。旋转编码器11采用的是10位绝对型旋转编码器，轴型连接方式通过弹性连接器14和电机主轴13连接，集电极开路输出，格雷码、负逻辑输出，采用15V电源给旋转编码器11供电。

所述的绝对型旋转编码器11连接信号处理电路12，信号处理电路12连接外部元件，如控制器4等。所述信号处理电路12包括编码器信号预处理单元、微处理器单元、通讯单元。所述微处理器选用单片机。编码器信号预处理单元连接单片机，单片机单元连接通讯，通讯单元通过串行通讯总线连接控制器等外部元件。

编码器信号预处理单元首先将上述10位绝对型旋转编码器输出信号进行电平转换，将旋转编码器的输出逻辑转换成正逻辑，然后进行格雷码与自然二进制码之间的转换。

信号处理电路的单片机单元以AVR系列芯片中的Atmaga8515为核心，该芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

角位置信号的处理包含零点校准和位数扩展。零点为基准绕组相的电感最大位置，零点校准是将绝对角位置变为相对该零点的相对角位置信号，零点的绝对角位置保存在Atmaga8515的EEPROM中，掉电不消失。位数扩展是将角位置信号进行位数扩展为16位数。高6位反映圈数的整数部分，低10位反映圈数的小数部分，上电后的状态初始化为第0圈。

利用单片机的捕获单元捕获旋转编码器的信号跳变，捕获中断发生时，读取旋转编码器的信号。转速的计算通过测量在一段时间段内脉冲的N个脉冲的时间T(单位为秒)，转速(用ω表示，单位：转/分钟)的计算公式：ω＝60*N/T/1024，计算结果为24位数，高16位为整数部分，第8位为小数部分。

根据旋转编码器的信号连续的跳变的特点，信号处理电路检测旋转编码器故障，检测当前角位置信号和上一次的角位置信号的差是否为1，两次的值相差不为1时则为旋转编码器故障。

所述串行通讯总线采用CAN总线，通过CAN总线连接控制器。CAN控制器SJA1000和CAN总线驱动器82C250组成CAN总线接口，基于CAN2.0B规范，采用标准格式数据帧。

为了保证角位置和转速信号反馈的响应速度，CAN总线波特率选择为1Mbps，在该波特率下总线长度可达30m。

CAN总线一帧数据出现错误后，会自动重新发送，但出现故障次数超过一定数后会关闭总线，监测装置实时检测CAN总线状态，当出现总线关闭后，会重新启动CAN总线。

Claims (10)

1. 开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征是包括旋转编码器(11)和信号处理电路(12)，置于电机(7)内部，固定在支撑盘(8)上，旋转编码器(11)与电机主轴(13)相连，旋转编码器(11)连接信号处理电路(12)，信号处理电路(12)连接外部元件。

2. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征在于所述的旋转编码器(11)和信号处理电路(12)，置于电机(7)的密封罩(15)内。

3. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征在于所述旋转编码器(11)为绝对型旋转编码器。

4. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征在于所述信号处理电路(12)包括编码器信号预处理单元、微处理器单元、通讯单元，旋转编码器(11)连接编码器信号预处理单元，编码器信号预处理单元连接微处理器单元，微处理器单元连接通讯单元，通讯单元通过串行通讯总线连接外部元件。

5. 根据权利要求4所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征在于所述微处理器选用单片机或数字信号处理器。

6. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测装置，其特征在于所述信号处理电路(12)和旋转编码器(11)为两个部件，或信号处理电路(12)集成到旋转编码器(11)内制成一个部件。

7. 一种开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，其特征是旋转编码器(11)采集转子的角位置信号，将信号传递给信号处理电路(12)的编码器信号预处理单元；编码器信号预处理单元将编码器的输出信号变成微处理器单元能够接收的角位置信号；微处理器单元进行角位置信号处理，计算电机的转速；通讯单元通过串行通讯总线发送角位置和转速信号。

8. 根据权利要求7所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，其特征在于所述角位置信号处理包含零点校准和/位数扩展，零点校准即将绝对角位置信号变成相对于零点的相对角位置，零点的绝对角位置保存在非易失型存储器里；位数扩展即把编码器单圈扩展为多圈，进行高位扩展。

9. 根据权利要求7所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，其特征在于记录N个编码器脉冲和产生这些脉冲的时间，得到编码器输出信号的周期和频率，以计算转速的大小，并根据角位置信号变化的方向判断转速的方向。

10. 根据权利要求7所述的开关磁阻电机转子的角位置和转速检测方法，其特征在于所述信号处理电路(12)根据编码器信号跳变的连续性判断编码器是否存在故障。

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